宽级配砾石防渗土料的防渗抗渗特性研究

李小泉，鲁 涛，罗启迅

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

宽级配砾石土在自然界分布广泛，储量丰富，级配连续。粒径从碎石、砾石、砂至粉黏粒均有，它具有击实性能好、透水性强、填筑密度大、抗剪强度高、沉降变形小、承载力高等工程特性，因此在强度、变形要求高的高土石坝工程建设中得到了广泛应用。不仅如此，用于土石坝防渗体的填筑材料还有更重要和关键的功能——防渗抗渗特性。本文通过系统研究，寻求在某一个最大粒径下的宽级配砾石土级配范围，并探讨影响防渗抗渗的主要因素和工程措施。

宽级配砾石土级配分布范围较宽，不均匀系数较大(不均匀系数甚至上千)，且通常粉黏粒含量较少，因此作为高土石坝填筑材料，其防渗抗渗性能是质量控制的核心问题，有必要探讨影响防渗抗渗的主要因素[1]。其防渗抗渗特性受诸多因素影响，如级配、填筑密度、含水率、粗粒含量(P5)及粗粒破碎率等，需进行系统的试验研究并提出大坝防渗土料的级配控制范围、粗细料含量及特征点P51和P52。

1 典型工程宽级配土料特征指标

土料的各项性质受级配分布的影响极大，颗粒组成分布越好，压实后越容易取得较高密度，其不透水性越好，相应的抗剪强度、压缩模量等力学性质也就越好。一般说来，土料中粗粒料越多，对取得较高的密度和抗剪强度、压缩模量等力学性质以及避免超孔隙水压力有利，但对防渗抗渗性能不利；反之，土料中细粒料越多，土体的防渗抗渗性能越好，但对取得较高的密度和抗剪强度、压缩模量等力学性质以及孔隙水压力的消散则不利。

为使土料取得较好的防渗抗渗性能，一般土料中小于5 mm粒径含量不能低于50%，小于0.075 mm粒径的细颗粒含量不能低于10%，小于0.005 mm粒径的黏粒含量应在5%以上。

表1为本文中有关的典型宽级配砾石防渗土料参数[2-4]。通过料场大量的筛析试验统计成果：瀑布沟水电站黑马I区土料小于0.075 mm的粒径和小于0.005 mm粒径的含量幅度分别为10%～26%和0.5%～10%，硗碛水电站咔日村的土料小于0.075 mm粒径和小于0.005 mm粒径的含量幅度分别为3.5%～32%和2%～21.5%。这表明料场中土料的天然级配分布范围极大，为了施工时将上坝砾石土级配控制在一个适当的范围以保证防渗体的防渗抗渗性能，有必要对不同粗粒料含量下的砾石土防渗抗渗特性进行研究。

2 填筑密度与土料渗透系数关系

图1～2分别为瀑布沟水电站工程黑马I区料场宽级配砾质土料、硗碛水电站工程咔日村料场黄色碎石土料(以5 mm的粒径颗粒为界，P5为大于5 mm粒径的粗粒料含量)的不同粗粒料含量级配分布，其基础级配为统计的料场平均级配。

对于研究不同粗粒料含量下土料的防渗抗渗特性，首先要知道不同粗粒料含量下土料的击实密度。土石坝采用粗粒土料作为心墙防渗体填筑材料，通常都要预先对选定的材料进行击实试验，研究粗颗粒材料含量变化对密度、含水率、渗透变形特性所造成的影响。

图1 瀑布沟黑马Ⅰ区不同P5级配曲线

图2 硗碛咔日村不同P5级配曲线

目前，国内外通用的击实试验的实验装置为标准击实仪(普氏击实仪，击实功能为604 kJ/m3；修正普氏击实仪，击实功能为2 740 kJ/m3)。对于一种土料，选择击实功能的大小应依据：①土料中粗颗粒材料母岩性质；②满足坝工设计对渗透变形和力学性质的要求，同时施工填筑时，所选用的碾压机械应获得最经济的碾压次数。

瀑布沟水电站土石坝坝高186 m，其心墙防渗体所选用的填筑材料为黑马Ⅰ区宽级配砾质土料。土料的天然级配分布范围极大，最大粒径300 mm，砾石母岩为凝灰质砂岩、流纹岩、白云质灰岩，质地坚硬。图3为该土料采用修正普氏击实仪(击实功能为2 740 kJ/m3)进行击实试验后，不同粗粒料含量下的最大干密度、最优含水率(即ρd max-P5-ωOP)的关系。

图3 瀑布沟黑马Ⅰ区土料ρdmax-P5-ωOP关系曲线

硗碛水电站土石坝坝高125 m，其心墙防渗体所选用的填筑材料为咔日村碎石土料，土料的天然级配分布范围极大，土料中最大粒径200 mm，碎、砾石母岩主要为风化千枚岩，含少量砂岩，且强度较低。图4为该土料采用普氏击实仪(击实功能为604 kJ/m3)进行击实试验后不同粗粒料含量下的最大干密度、最优含水率即ρdmax-P5-ωOP的关系。

P5-ρd max关系表明，土料最大干密度值随着粗粒料含量的增加而增大。当P5=70%时，呈单峰型曲线的干密度值达到最大值；当P5>70%时，土料干密度值快速递减，说明此时土料中的细颗粒部分已不能充填粗颗粒材料而形成骨架孔隙，进而出现架空现象。

图4 硗碛咔日村土料ρd max-P5-ωOP关系曲线

P5-ωOP关系表明，土料压实最优含水率值随粗粒材料的增加而减小。

P5-细料干密度关系表明，黑马I区宽级配砾质土料在修正普氏击实功能下，当粗粒料含量P5>35%时，细料干密度值随着粗粒料含量的增加而快速递减，这说明此时粗粒材料部分已形成骨架，细粒材料部分不能得到充分挤压，细料压实程度越来越低；当0

咔日村碎石土料在普氏击实功能下，当粗粒料含量P5>30%时，细料干密度值随着粗粒含量的增加而快速递减，说明此时粗粒材料部分已形成骨架，细粒材料部分不能得到充分挤压，细料压实程度越来越低。当0

土料的防渗性能与填筑密度有着密切的关系，提高填筑密度会改善土体的防渗性能。为探讨密度与渗透系数的关系，在瀑布沟工程的防渗土料研究中，采用同一种级配土料(黑马Ⅰ区平均线级配)、同一种含水率(ω=4.625%)的状态下，改变填筑干密度进行渗透变形相关试验，结果见图5。

图5 瀑布沟黑马Ⅰ区土料ρd-K20关系曲线

ρd-k20关系曲线表明，渗透系数k20随干密度ρd的增加而降低，但是当干密度值增大到一定数值后，渗透系数的降低趋势减弱，曲线趋于平缓。因此，不能无限增加压实功能去提高干密度值，其原因一为土体中颗粒间的咬合力是有限的，超过此限度，增加击实功能会降低功能增加量的压实效果；原因二是会因此增加工程造价和延长施工工期。

3 不同粗粒含量下土料的防渗抗渗性能等综合特性

图6为日本牧尾坝工程、中国瀑布沟工程、中国硗碛工程的粗粒料含量与渗透系数关系的试验实例[2-4]。从P5-k20关系曲线可以看出，日本牧尾坝粗粒料含量P5不超过40%、瀑布沟工程粗粒料含量P5不超过35%、硗碛工程粗粒料含量P5不超过30%时，随着P5含量的增加，渗透系数k20与全细料(即P5=0)的渗透系数相比，呈递减趋势。该结果是由于在上述P5含量前，土料中粗粒部分被细粒部分包裹，粗粒在土料中未形成骨架，细粒部分被充分压实，保持其最大干密度，同时粗颗粒在土体中的存在减小了渗流的有效渗透面积。也就是说，此时土料的物理力学性质很大程度上受小于5 mm粒径的细料所控制，对于抗剪强度而言，可以将该处粗粒料含量P5定为土料的粗粒料含量第一特征点P51。当坝工设计对防渗体的抗剪强度有着严格的范围值要求时，P51应为土料上坝级配的粗粒料含量下限值。

图6 典型工程砾石土P5-k20关系曲线

图7为硗碛工程咔日村防渗土料不同粗粒料含量与内摩擦角(室内大型直剪试验饱和固结快剪成果)的关系曲线，从试验实例可以看出，土体的内摩擦角随粗粒料含量的增加而增大。

图7 硗碛咔日村土料P5-Φ关系曲线

图8为硗碛工程防渗土料不同粗粒料含量与0.4～0.8 MPa压力下的压缩模量关系曲线。由试验实例可以看出，土体的压缩模量随粗粒料含量的增加而增大，这说明土料中粗颗粒具有骨架作用。但当粗粒料含量在击实前P5>60%、击实后P5>54.3%时，压缩模量增势减弱，说明此时土体内细粒料含量偏少，不能完全充填粗颗粒形成的骨架孔隙，导致沉陷量相对加大。

图8 硗碛咔日村土料P5-Es关系曲线

当粗粒料含量P5超过第一特征点P51后，随着P5的增加，渗透系数k20也随之变大，当粗粒料含量P5达到63%(瀑布沟工程)、60%(日本牧尾坝)、61%(硗碛工程)时，渗透系数k20达到1×10-5cm/s。就坝工设计对渗透系数的要求而言[5]，可以将该处粗粒料含量P5定为土料的第二特征点P52，又称为临界点。当粗粒料含量超过P52后，随着P20迅速变大，这就无法满足对分区坝防渗体的设计要求。

其机理为当粗粒料含量超过P51后，粗颗粒部分在土体中已完全形成骨架，细颗粒部分的压实度随着粗粒料含量增加而逐渐降低。这反映在密度方面，密度的增加受粗粒料含量增加的控制；在防渗方面，渗透系数较大幅度的增大受细粒部分减少及其压实度降低的控制。当粗粒料含量继续增加并超过P52后，土体中的细粒部分已经不能完全充填骨架形成的孔隙，进而出现架空现象。这反映在密度上，密度随粗粒料含量的增加而快速降低；在防渗上，渗透系数随粗粒料含量的增加而迅速增大。

根据坝工设计要求，防渗体渗透系数的设计值对应的粗粒料含量第二特征点P52，应作为上坝级配粗粒料含量的上限值。它对防渗体的设计和施工具有重要的工程意义。

表2为瀑布沟工程宽级配砾质土料不同粗粒料含量下的渗透变形试验实测成果。由表2可以看出，当P51

表2 不同粗粒料含量下的渗透变形试验成果

综上所述，粗粒土料的防渗抗渗性能受土料中的粗粒料含量影响较大。当粗粒料含量较少(一般P5低于40%)时，压实土体的渗透系数及坡降略低于该土料全细粒土的渗透系数及坡降；粗粒料含量大于40%之后，渗透系数将随P5的增加而迅速变大，坡降有所提高。将该拐点处的P5定为粗粒料含量第一特征点P51，其意义在于能满足防渗要求的同时，粗颗粒部分已初步形成骨架，抗剪强度值比全细粒土时的抗剪强度值有较大幅度提高。

压缩模量随粗粒料含量的增加而增大，但是当粗粒料含量在P5>P52后，压缩模量的增势减弱。当粗粒料含量在30%～60%时，压实土体的防渗性能满足要求，同时力学性质亦较好。当粗粒料含量较多，一般P5高于60%时，虽然压实土体的抗剪强度、压缩模量仍然较好，但防渗抗渗性能已不能满足要求。将该处的P5定为粗粒料含量第二特征点P52，其意义在于粗粒部分形成的骨架孔隙不能被细粒部分充填饱满而出现架空现象，因此渗透特性不能满足设计要求。

由此可见，粗粒料含量第二特征点P52对于分区土石坝防渗体的设计和施工具有重要意义。

4 填筑含水率与渗透系数的关系

土料用作防渗体的建筑材料，其最大特点是含水率状态不同，引起的压实效果也就不同，结果使得压实土体诸多特性发生变化。

图9为瀑布沟工程黑马I区土料平均线级配与日本御母衣坝黏土、风化花岗岩混合料(粗粒料含量P5=40%时)在同一种击实功能下的含水率与渗透系数关系曲线[2，4]。

图9 典型工程砾石土ω-k20关系曲线

从图9可知，渗透系数k随含水率ω的增大而降低，同时当含水率比最优含水率稍大一点时，土体的渗透系数达到最小值。其原因是由于湿于最优含水率的土料在压实过程中，土体中的颗粒之间滑动阻力减小，压实时产生的剪应变使得颗粒近乎于平行定向排列，以致孔隙尺寸减小，渗透性减小。

从上述结论可知，施工时上坝土料的碾压含水率应尽量控制略湿于最优含水率，为土体的渗透系数达到最小值提供依据，以保证和提高分区土石坝防渗体的防渗性能。

5 P52的确定宜考虑粗颗粒在压实后的破碎率

粗粒土料在室内击实功能条件下或在施工过程中重型机械的碾压下，材料颗粒会相互挤压、搓揉嵌合产生一定的破碎，而这破碎效果恰恰能提高土体的防渗性能。

图10为瀑布沟工程黑马Ⅰ区宽级配砾质土料(在修正普氏2 740 kJ/m3击实功能下)和硗碛工程咔日村碎石土料(在普氏604 kJ/m3击实功能下)在以5 mm粒径颗粒为界的破碎量关系曲线。以粗粒料含量第二特征点P52为例，制样前(击实前)的入口P5含量：瀑布沟工程为63%、硗碛工程为61%；而制样后(击实后)土体中的P5含量：瀑布沟工程为49%、硗碛工程为55%。同时，由图6可以看出，上述两个工程在入口P5含量分别为63%和61%时，渗透系数k均小于1×10-5cm/s。该结果与国内外高土石坝心墙防渗土料粗粒料含量P5的上限值约在50%的经验数据较为吻合。

图10 典型工程砾石土击实前后P5关系曲线

可见，土料中粗粒料的破碎改变了级配分布范围，增大了细粒料(粒径<5 mm)的含量，粗粒料破碎可以改善和提高土体的防渗性能。

6 结论与建议

(1)宽级配砾石土料在适宜的级配分布范围条件下，是良好的高土石坝防渗区的建筑材料。它不仅比通常填筑均质坝的细粒土料具有更高的填筑密度和更好的抗剪强度、压缩特性，还具有较好的防渗抗渗性能。

(2)对上坝土料的级配分布范围来说，其粗粒料含量P5不能超过粗粒料含量第二特征点P52。

(3)当坝工设计对防渗区的抗剪强度、压缩模量等力学指标有严格要求时，在上坝土料的级配分布范围里粗粒料含量在P51≤P5≤P52。

(4)土料的填筑密度越高，防渗抗渗性能越好；但不能无限增加压实功能以提高密度，因为这样做不具备经济性。

(5)土料填筑时，含水率一般控制在略大于最优含水率，对土体的防渗性能最有利。

(6)根据土料的级配组成范围以及土料中粗颗粒材料的母岩材质特性，通过系列击实功能选择研究，选取合适的压实功能；其中高功能击实使得粗粒破碎，其可改善和提高土体的防渗抗渗性能。

(7)粗粒土料的粗粒料含量在P5>P52以后，防渗特性将大幅降低。从防渗角度来看，P5上限值一般在50%，但从大量施工统计得出，一般P5大于60%时，易产生粗料集中和离析。因此，在土料的开采、拌和(天然料)或掺合(人工掺合料)及铺填和碾压等工艺流程中，如何防止粗粒料局部集中现象是应用粗粒土料填筑大型高土石坝防渗体时一个值得重视的问题。